DE19713980C2 - Power diode, manufacturing process therefor and use thereof (FCI diode) - Google Patents
Power diode, manufacturing process therefor and use thereof (FCI diode)Info
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Description
Die Erfindung betrifft eine Leistungsdiode, bestehend aus ei
nem Halbleiterkörper mit
The invention relates to a power diode consisting of egg nem semiconductor body
- - einer Innenzone vom ersten Leitungstyp,- an inner zone of the first conduction type,
- - einer an die Innenzone anschließenden Kathodenzone vom er sten Leitungstyp und höherer Dotierungskonzentration als in der Innenzone,- A cathode zone adjacent to the inner zone from the most conductivity type and higher doping concentration than in the inner zone,
- - einer an die Innenzone anschließenden Anodenzone vom zwei ten Leitungstyp und höherer Dotierungskonzentration als in der Innenzone.- An anode zone adjoining the inner zone of two th conductivity type and higher doping concentration than in the inner zone.
Solche Leistungsdioden, die auch pin-Dioden genannt werden, sind seit langer Zeit bekannt und beispielsweise von F. Kau ßen und H. Schlangenotto in "Aktuelle Entwicklungen bei schnellschaltenden Leistungsdioden", 39. ETG-Fachbericht, VDE- Verlag, Seite 25 bis 40, Bad Nauheim, 1992, eingehend be schrieben.Such power diodes, which are also called pin diodes, have been known for a long time and for example by F. Kau ßen and H. Schlangenotto in "Current Developments fast switching power diodes ", 39th ETG technical report, VDE- Verlag, pages 25 to 40, Bad Nauheim, 1992, detailed be wrote.
Eine FCI-Diode (field-controlled-injection) der eingangs ge nannten Art ist beispielsweise als Read-Diode bekannt und von K. T. Kaschani und R. Sittig in "How to avoid TRAPATT- Oszillations at the Revers-Recovery of Power Diodes", CAS'95, S. 571-574, Sinaia, 1995, beschrieben.An FCI diode (field-controlled injection) of the beginning called type is known for example as a read diode and of K. T. Kaschani and R. Sittig in "How to avoid TRAPATT- Oscillations at the Reverse Recovery of Power Diodes ", CAS'95, Pp. 571-574, Sinaia, 1995.
Die Read-Diode ist ursprünglich als Hochfrequenz-Bauelement für die Generierung von IMPATT-Schwingungen entwickelt wor den. Im Folgenden wird in Fig. 1 das FCI-Konzept anhand der bekannten Read-Diode in der speziellen Ausführung als pin- Leistungsdiode erläutert. Eine derartige Read-Diode ist ins besondere aus Fig. 5 der oben erwähnten Druckschrift von Kaschani et al. bekannt. The read diode was originally developed as a high-frequency component for the generation of IMPATT vibrations. The FCI concept is explained below in FIG. 1 using the known read diode in the special embodiment as a pin power diode. Such a read diode is in particular from FIG. 5 of the above-mentioned publication by Kaschani et al. known.
Die pin-Leistungsdiode entsprechend Fig. 1 zeigt einen Halb leiterkörper 1. Der Halbleiterkörper 1 besteht aus einer n-- dotierten Innenzone 2. Kathodenseitig ist an die Innenzone 2 die n+-dotierte Kathodenzone 3 angeordnet. Die Kathodenzone 3 ist über die Kathodenelektrode 7 mit dem Kathodenanschluß K verbunden. Anodenseitig schließt sich an die Innenzone 2 eine n-dotierte Kopplungszone 5 sowie eine p+-dotierte Anodenzone 6 an. Anodenseitig ist die Anodenzone 6 über die Anodenelek trode 8 mit dem Anodenanschluß A verbunden.The pin-power diode according to Fig. 1 shows a semiconductor body 1. The semiconductor body 1 consists of an n - -doped inner zone 2 . On the cathode side, the n + -doped cathode zone 3 is arranged on the inner zone 2 . The cathode zone 3 is connected to the cathode connection K via the cathode electrode 7 . An n-doped coupling zone 5 and a p + -doped anode zone 6 adjoin the inner zone 2 on the anode side. On the anode side, the anode zone 6 is connected to the anode terminal A via the anode electrode 8 .
Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, ist bei der pin-Diode zwi schen die Anodenzone 6 und die Innenzone 2 eine schmale Kopp lungszone 5 eingebracht, die denselben Leitungstyp aufweist wie die Innenzone 2, aber stärker dotiert ist als die Innen zone 2. Aufgrund dieses Dotierungsprofils setzt sich das elektrische Feld im Sperrbetrieb aus einer sogenannten Hoch feldzone und einer sogenannten Niederfeldzone zusammen. Mit Hochfeldzone werden dabei Gebiete mit hoher elektrischer Feldstärke und mit Niederfeldzone Gebiete mit niedrigem elek trischen Feld bezeichnet.As is apparent from Fig. 1, Zvi rule at the pin diode anode region 6 and the inner zone 2 a narrow Kopp lung zone 5 is inserted, the same conductivity type as the inner zone 2, but is more heavily doped than the inner zone 2. Due to this doping profile, the electric field in the blocking mode consists of a so-called high field zone and a so-called low field zone. Areas with a high electric field strength are designated with a high field zone and areas with a low electric field with a low field zone.
Während sich die Hochfeldzone dabei auf den schmalen Bereich der Kopplungszone 5 unmittelbar vor der Anodenzone 6 be schränkt, erstreckt sich die Niederfeldzone nahezu homogen über die gesamte Innenzone 2. Entsprechend der Höhe der Do tierung ergibt sich allerdings auch eine deutlich höhere Durchbruchfeldstärke in der Hochfeldzone als in der Nieder feldzone (EBD,H << EBD,L).While the high field zone is limited to the narrow area of the coupling zone 5 immediately in front of the anode zone 6 , the low field zone extends almost homogeneously over the entire inner zone 2 . Depending on the level of the doping, however, the breakthrough field strength in the high field zone is significantly higher than in the low field zone (E BD, H << E BD, L ).
Um nun eine lokalisierte Lawinenmultiplikation beim Span nungsdurchbruch zu gewährleisten, ist die pin-Diode so dimen sioniert, daß die Feldspitze in der Hochfeldzone zu diesem Zeitpunkt gerade ihre Durchbruchfeldstärke EBD,H erreicht, während sich das Feldmaximum in der Niederfeldzone noch weit unterhalb seiner Durchbruchfeldstärke EBD,L befindet. Wird da her die Durchbruchspannung VBD überschritten, so kommt es zu nächst nur in der Hochfeldzone zur Ladungsträgergeneration durch Lawinenmultiplikation.In order to ensure localized avalanche multiplication in the event of a voltage breakdown, the pin diode is dimensioned so that the field peak in the high field zone at this point in time reaches its breakdown field strength E BD, H , while the field maximum in the low field zone is still far below its breakdown field strength E BD, L located. If the breakdown voltage V BD is exceeded, the charge carrier generation by avalanche multiplication occurs first only in the high field zone.
Während die auf diese Weise generierten Löcher sofort an der angrenzenden, p+-dotierten Anodenzone 6 abfließen, müssen die Elektronen auf dem Weg zur n+-dotierten Kathodenzone 3 die gesamte Raumladungszone durchqueren. Die Elektronen bewegen sich dabei in der Hochfeldzone mit Sättigungsgeschwindigkeit und führen aufgrund ihrer negativen Ladung zu einer entspre chenden Kompensation der Raumladungen von Hochfeldzone und Niederfeldzone.While the holes generated in this way flow off immediately at the adjacent p + -doped anode zone 6 , the electrons have to cross the entire space charge zone on the way to the n + -doped cathode zone 3 . The electrons move in the high field zone with saturation speed and due to their negative charge lead to a corresponding compensation of the space charges of the high field zone and the low field zone.
Die Wirkung dieser Kompensation auf beide Zonen ist jedoch unterschiedlich. So kommt es in der Hochfeldzone zu einer Verringerung der Feldspitze und zu einer Reduktion der Lawi nenmultiplikation, was wiederum zu einer Abnahme des Elektro nenstroms beziehungsweise seiner kompensierenden Wirkung auf die dortige Raumladung führt. Diese Gegenkopplung hat schließlich unabhängig von der anliegenden Überspannung eine Stabilisierung des Feldmaximums nahe der Durchbruchfeldstärke EBD,H zur Folge.However, the effect of this compensation on the two zones is different. This leads to a reduction in the peak of the field and a reduction in avalanche multiplication in the high field zone, which in turn leads to a decrease in the electron current or its compensating effect on the space charge there. This negative feedback finally results in a stabilization of the field maximum near the breakdown field strength E BD, H, regardless of the applied overvoltage.
Die Hochfeldzone dient daher sowohl zur Bereitstellung der erforderlichen Ladungsträger als auch zur erforderlichen Lo kalisierung der Lawinenmultiplikation. In der Niederfeldzone dagegen führt die zunehmende Kompensation der Raumladung durch den mit steigender Überspannung anwachsenden Elektro nenstrom zu einer Zunahme des Gradienten des elektrischen Feldes und damit zu einer entsprechenden Erhöhung des elek trischen Feldes, insbesondere vor der Kathodenzone 3.The high field zone therefore serves both to provide the necessary charge carriers and to localize the avalanche multiplication. In the low field zone, on the other hand, the increasing compensation of the space charge by the increasing electrical current with increasing overvoltage leads to an increase in the gradient of the electrical field and thus to a corresponding increase in the electrical field, in particular in front of the cathode zone 3 .
Die Kopplung der elektrischen Felder von Hochfeldzone und der Niederfeldzone erfolgt bei der pin-Leistungsdiode entspre chend Fig. 1 über die Raumladung der Kopplungszone S. Die Raumladungskopplung hat sich jedoch für das Abkommutieren von Leistungsdioden als unbrauchbar erwiesen, da die Raumladungs kopplung sehr stark temperaturabhängig ist. Ein Einsatz von derartigen pin-Leistungsdioden in der Praxis ist demnach un denkbar.The coupling of the electric fields from the high-field zone and the low-field zone takes place in the pin power diode accordingly in FIG. 1 via the space charge of the coupling zone S. However, the space charge coupling has proven to be unusable for the commutation of power diodes, since the space charge coupling is very strongly temperature-dependent . The use of such pin power diodes in practice is therefore unthinkable.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, neue FCI- Dioden bereitzustellen und zu verwenden, bei denen die Hoch feldzone mit der Niederfeldzone nahezu temperaturunabhängig gekoppelt ist.The object of the present invention is therefore to develop new FCI Provide and use diodes where the high Field zone with the low field zone almost independent of temperature is coupled.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Leistungsdiode mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Ein entspre chendes Herstellungsverfahren ist im Patentanspruch 9 angege ben, Verwendungsmöglichkeiten für derartige FCI-Dioden sind in den Ansprüchen 10 bis 13 genannt.According to the invention, this object is achieved by a power diode solved with the features of claim 1. A correspond The manufacturing process is specified in claim 9 ben, are uses for such FCI diodes mentioned in claims 10 to 13.
In der ersten Ausgestaltung der Erfindung ist eine Grenzflä che zwischen der Innenzone und der Anodenzone vorgesehen, die mit Ausnahme der Randbereiche der Anodenzone, an denen die Grenzfläche an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, zumindest teilweise gekrümmt ist. Durch diese Maßnahme wird eine scharf lokalisierte Feldüberhöhung bewirkt, was der Ein richtung einer Hochfeldzone und einer Niederfeldzone ent spricht, die hier nicht raumladungsgekoppelt und somit auch nicht stark temperaturabhängig sind.In the first embodiment of the invention, there is an interface che provided between the inner zone and the anode zone, the with the exception of the peripheral areas of the anode zone, where the Interface occurs on the surface of the semiconductor body, is at least partially curved. This measure will a sharply localized field increase causes what the one towards a high field zone and a low field zone speaks that is not coupled to space charges and therefore also are not strongly temperature-dependent.
In der zweiten Ausgestaltung der Erfindung befindet sich in der Innenzone zumindest ein - bezüglich der Potentiale - floatendes Gebiet vom selben Leitungstyp wie in der Innenzo ne. Durch das Einbringen solcher floatender Gebiete, die ty pischerweise sehr viel stärker dotiert sind als die Innenzone selbst, werden Äquipotentialzonen in der Innenzone eingerich tet, die eine Störung des elektrischen Feldes und somit in gewissen Bereichen eine scharf lokalisierte Feldüberhöhung bewirken. Diese scharf lokalisierte Feldüberhöhung bewirkt wiederum das Einrichten einer lokalen Hochfeldzone und einer Niederfeldzone, die hier ebenfalls nicht raumladungsgekoppelt sind und somit auch nicht einer starken Temperaturabhängig keit unterliegen. In the second embodiment of the invention is in the inner zone at least one - in terms of potentials - Floating area of the same line type as in the inner zoo no By introducing such floating areas, the ty are typically much more heavily endowed than the inner zone itself, equipotential zones are established in the inner zone tet, which is a disturbance of the electrical field and thus in a certain localized field elevation in certain areas cause. This sharply localized field increase causes again the establishment of a local high field zone and one Niederfeld zone, which is also not coupled to space charges here are and therefore not strongly dependent on temperature subject to.
Derartige Leistungsdioden werden im folgenden als FCI-Dioden mit geometrischer Kopplung bezeichnet.Such power diodes are referred to below as FCI diodes designated with geometric coupling.
Pin-Leistungsdioden mit geometrischer Kopplung haben gegen über pin-Leistungsdioden mit Raumladungskopplung den Vorteil, daß der Abkommutiervorgang weitgehend temperaturunabhängig abläuft.Pin power diodes with geometric coupling have against the advantage of pin power diodes with space charge coupling, that the commutation process is largely independent of temperature expires.
Außerdem weisen geometrisch gekoppelte FCI-Dioden im Gegen satz zu den herkömmlichen pin-Dioden eine aktive, kontrol lierte Überspannungsbegrenzung auf, die weitgehend unabhängig von Speicherladung, Abkommutiergeschwindigkeit und Lebens dauereinstellung ist, zu keiner nennenswerten Beeinflussung des Durchlaß-, Sperr- und Einschaltverhaltens führt und oben drein noch eine deutliche Reduzierung der Schaltverluste er laubt.In addition, geometrically coupled FCI diodes point in the opposite Set an active, control over the conventional pin diodes overvoltage limitation, which is largely independent of storage charge, commutation speed and life permanent setting is, to no significant influence of pass-through, blocking and switch-on behavior leads and above still a significant reduction in switching losses leaves.
In einer typischen Weiterbildung der Erfindung grenzen die floatenden Gebiete mindestens teilweise an die Anodenzone an. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß der Spannungsdurch bruch direkt am p-n-Übergang zwischen Anodenzone und floaten dem Gebiet stattfindet.In a typical development of the invention, the floating areas at least partially to the anode zone. In this way it is ensured that the voltage through break directly at the p-n junction between the anode zone and the float the area takes place.
Typischerweise befinden sich die floatenden Gebiete in den anodenseitigen Bereichen der Innenzone. In einer Weiterbil dung grenzen die floatenden Gebiete mindestens teilweise an die Anodenzone an.Typically, the floating areas are in the areas of the inner zone on the anode side. In a continuation the floating areas border at least partially the anode zone.
Vorteilhafterweise ist die Grenzfläche zwischen der Innenzone und dem floatendem Gebiet ebenfalls gekrümmt. Dies bewirkt ebenfalls eine Störung des elektrischen Feldes und somit in diesen Bereichen eine scharf lokalisierte Feldüberhöhung. So mit ist auch durch diese Maßnahmen das Hochfeld und Nierder feld lokal getrennt.The interface between the inner zone is advantageous and the floating area is also curved. this causes also a disturbance of the electrical field and thus in a sharply localized field elevation in these areas. Like this the Hochfeld and Nierder are also included in these measures Field separated locally.
Da die floatenden Gebiete bezüglich ihrer Leitungseigenschaft wie ein Kurzschluß wirken, können sie in einer Weiterbildung der Erfindung auch durch leitendes Material realisiert wer den. Als leitendes Material wird wegen seiner guten Leitfä higkeit und seiner prozesstechnisch einfachen Handhabbarkeit typischerweise sehr hoch dotiertes Polysilizium verwendet. Es sind aber auch andere leitende Materialien wie beispielsweise Metalle oder Metallsilizide denkbar.Because the floating areas in terms of their line property They can act like a short circuit in a training course the invention also realized by conductive material the. As a conductive material because of its good guidelines ability and its easy handling in terms of process technology typically very highly doped polysilicon is used. It but are also other conductive materials such as Metals or metal silicides conceivable.
Vorteilhafterweise kann im Halbleiterkörper zumindest eine zur Leistungsdiode antiparallele und in Reihe geschaltete zweite, monolithisch integrierte Diode vorgesehen sein. Dazu kann anodenseitig oder kathodenseitig eine weitere Zone zur Herstellung eines zweiten p-n-Überganges vorgesehen sein. Diese Zone hat typischerweise eine höhere Dotierungskonzen tration als die sich ihr anschließende Anodenzone oder Katho denzone. Auf diese Weise läßt sich wie gesagt eine Reihen schaltung aus einer geometrisch gekoppelten FCI-Diode und ei ner zu ihr in Sperrrichtung geschalteten weiteren Diode her stellen. Durch diese monolitisch integrierte, antiparallel angeordnete Diodenreihenschaltung läßt sich der Durchlaßbe trieb der FCI-Diode unterdrücken, so daß sie nun als reiner Spannungsbegrenzer fungiert.At least one can advantageously be in the semiconductor body antiparallel to the power diode and connected in series second, monolithically integrated diode may be provided. To can have a further zone on the anode side or cathode side Production of a second p-n junction can be provided. This zone typically has a higher doping concentration tration as the adjoining anode zone or catho denzone. In this way, as I said, a series can be created circuit from a geometrically coupled FCI diode and egg ner to her in the reverse direction connected further diode put. Through this monolithically integrated, anti-parallel arranged diode series connection, the Durchlaßbe drove the FCI diode suppress, so that it is now as pure Voltage limiter acts.
Durch Parallelschaltung einer weiteren Diode läßt sich daraus eine FCI-Hybrid-Dioden-Anordnung gewinnen, bei der im Durch laßbetrieb nur die weitere Diode und im Sperrbetrieb nur die FCI-Diode relevant ist. Handelt es sich bei der weiteren Di ode um ein Bauelement mit optimierten Durchlaßverhalten, so läßt sich auf diese Weise gleichzeitig eine Minimierung der Durchlaß- und der Schaltverluste sowie eine Optimierung des Abkommutierverlaufs erreichen.By connecting another diode in parallel, this can be done win an FCI hybrid diode arrangement, in which in through leave only the other diode and in blocking mode only the FCI diode is relevant. Is it another Tuesday or around a component with optimized transmission behavior, so can be minimized in this way at the same time Passage and switching losses and an optimization of Reach the commutation process.
Für das bevorzugte Herstellungsverfahren der Bereiche der An odenzone mit gekrümmten p-n-Übergang sowie der floatenden Ge biete in der Innenzone werden vorteilhafterweise zunächst an odenseitig Gräben in die Oberfläche des Halbleiterkörpers ge ätzt. Anschließend können nach geeigneter Maskierung der Oberflächen des Halbleiterkörpers die gewünschten Bereiche der Anodenzone bzw. der floatenden Gebiete eingebracht wer den. Typischerweise wird dabei die Dotierung durch eine mas kierte Diffusion oder Ionenimplantation eingebracht. An schließend können die Gräben beispielsweise durch CVD wieder aufgefüllt und planarisiert werden.For the preferred method of manufacturing the areas of An odzone with a curved p-n transition and the floating Ge offers in the inner zone are advantageously initially trenches in the surface of the semiconductor body etches. Then, after appropriate masking, the Surfaces of the semiconductor body the desired areas who introduced the anode zone or the floating areas the. The doping is typically determined by a mas introduced diffusion or ion implantation. On the trenches can be closed again by CVD, for example filled and planarized.
Geometrisch gekoppelte Leistungsdioden können vorteilhafter weise als Spannungsbegrenzer für Spannungen ≧ 500 V zur Un terdrückung transienter Überspannungen verwendet werden. Der zeitig verfügbare transiente Spannungsbegrenzer ("transient voltage-supressor", TVS) sind auf Spannungen ≦ 500 V be grenzt. Andere vergleichbare Bauelemente, wie beispielsweise Varistoren, sprechen nicht schnell genug an, vertragen die mit häufig wiederkehrenden Spannungsspitzen verbundenen Ver luste nicht oder altern schneller als erwünscht.Geometrically coupled power diodes can be more advantageous as voltage limiter for voltages ≧ 500 V to Un suppression of transient overvoltages. The transient voltage limiters ("transient voltage supressor ", TVS) are on voltages ≦ 500 V be borders. Other comparable components, such as Varistors, do not respond quickly enough, tolerate them with frequent recurring voltage peaks do not lose or age faster than desired.
Besonders vorteilhaft lassen sich die erfindungsgemäßen FCI- Dioden auch als Freilaufdioden für Leistungshalbleiterbauele mente verwenden, wie beispielsweise in Parallelschaltung zu Bipolartransistoren, MOSFETS, IGBTs, GTOs, Thyristoren, MCTs, etc.The FCIs according to the invention can be particularly advantageously Diodes also as free-wheeling diodes for power semiconductor components Use elements, such as in parallel Bipolar transistors, MOSFETs, IGBTs, GTOs, thyristors, MCTs, Etc.
Der kritischste Betriebszustand einer Leistungsdiode der ein gangs genannten Art ist das Abkommutieren, das heißt der Wechsel vom Durchlaß- in den Sperrbetrieb. Beim Abkommutieren muß die im Durchlaßbetrieb zur Leitfähigkeitsmodulation der Innenzone benötigte Speicherladung in sehr kurzer Zeit wieder entfernt werden, um im Anschluß daran wieder Sperrspannung aufnehmen zu können. Dies geschieht über den sogenannten Rückstrom, der sich beim Wechsel in den Sperrbetrieb automa tisch einstellt.The most critical operating state of a power diode The type mentioned above is the commutation, that is the Change from pass-through to blocking operation. When commuting must be in the pass mode for conductivity modulation Storage zone needed again within a very short time to be removed again afterwards reverse voltage to be able to record. This happens via the so-called Reverse current, which changes automatically when switching to blocking mode table.
Aufgrund des Einflusses unvermeidbarer Streuinduktivitäten kann eine Leistungsdiode jedoch in der Praxis nur mit einer endlichen Steilheit abkommutiert werden. Um dabei hohe induk tive Überspannungen sowie Oszillationen zu vermeiden, sollte eine Leistungsdiode ein möglichst weiches Abkommutierverhal ten, genannt "soft-recovery"-Verhalten, aufweisen. Darunter versteht man insbesondere einen nach Erreichen der Rückstrom spitze sanft abklingenden Rückstrom. Due to the influence of inevitable leakage inductances In practice, however, a power diode can only use one finite steepness can be commutated. To achieve high induc Avoid overvoltages and oscillations a power diode has a soft commutation behavior ten, called "soft recovery" behavior. Underneath one understands in particular one after reaching the reverse flow peak gently decaying backflow.
Das Abkommutierverhalten einer Leistungsdiode nach Erreichen der Rückstromspitze ist gekennzeichnet von der Notwendigkeit, die auf den maximalen Rückstrom aufgeladene Streuinduktivität wieder vollständig zu entladen. Um die dabei in der Diode auftretenden Verluste so gering wie möglich zu halten, soll dieser Entladevorgang so schnell wie möglich ablaufen. Gleichzeitig ist aber auch ein Soft-Recovery-Verhalten anzu streben. Das bedeutet eine Begrenzung der auftretenden induk tiven Überspannungen sowie die Vermeidung jeglicher Oszilla tionen, da diese zur Beeinträchtigung bis hin zur Zerstörung benachbarter Bauelemente beziehungsweise der Leistungsdiode selbst führen können.The commutation behavior of a power diode after reaching it the backflow peak is characterized by the need the leakage inductance charged to the maximum reverse current fully unloaded again. To do this in the diode losses to be kept as low as possible this unloading process take place as quickly as possible. At the same time, however, soft recovery behavior must also be initiated strive. This means a limitation of the induk occurring overvoltages and avoidance of any oscillation tion, as these can impair or even destroy neighboring components or the power diode can lead themselves.
Eine Begrenzung der Überspannung hat jedoch zwangsläufig eine langsamere Entladung der Streuinduktivität und damit eine Er höhung der Schaltverluste zur Folge, so daß sich im Zusammen hang mit der Minimierung von Überspannungen und Schaltverlu sten grundsätzlich die Frage nach einem Kompromiß stellt. Es besteht allerdings die Möglichkeit, die Schaltverluste im Rahmen dieses Kompromisses bei vorgegebener maximaler Über spannung durch Variation des Strom- bzw. Spannungsverlaufes zu optimieren.A limitation of the overvoltage inevitably has one slower discharge of the leakage inductance and thus an Er Increase in switching losses, so that together hang with the minimization of overvoltages and switching loss fundamentally asks the question of a compromise. It there is, however, the possibility of switching losses in the Framework of this compromise with a given maximum over voltage by varying the current or voltage curve to optimize.
Die Maßnahmen zur Gewährleistung des angestrebten Soft- Recovery-Verhaltens lassen sich je nach Ansatzpunkt in inter ne und externe Maßnahmen unterscheiden.The measures to ensure the desired software Depending on the starting point, recovery behavior can be defined in inter distinguish between ne and external measures.
Die externen Maßnahmen betreffen entsprechende Modifikationen des umgebenen Netzwerkes der Leistungsdiode oder deren An steuerung. Dazu gehört beispielsweise die Beschaltung der Leistungsdiode mit einem sogenannten "snubber", das heißt ei ner Reihenschaltung, bestehend aus einem Widerstand und einer Kapazität. Damit soll das Abkommutierverhalten gedämpft wer den. Allerdings führt ein snubber immer zu erhöhten Schalt verlusten, einem größeren Volumen und Gewicht des betreffen den Gerätes und schließlich zu höheren Kosten. The external measures concern corresponding modifications of the surrounding network of the power diode or its connection control. This includes, for example, the wiring of the Power diode with a so-called "snubber", that is egg ner series connection, consisting of a resistor and a Capacity. This should dampen the commutation behavior the. However, a snubber always leads to increased switching losses, a larger volume and weight of the concern the device and ultimately at a higher cost.
Ein anderer Weg, der zur Zeit zur Entlastung von Leistungsdi oden und Gewährleistung eines Soft-Recovery-Verhaltens be schritten wird, besteht darin, die Schaltgeschwindigkeiten der beteiligten Halbleiterschalter zu drosseln und so das Ab kommutierverhalten zu dämpfen. Dies würde der Einleitung des Abkommutiervorganges durch einen steuerbaren Widerstand an Stelle eines idealen Schalters entsprechen. Auf diese Weise gelingt es zwar, das Auftreten jeglicher Überspannung zu ver meiden und die jeweiligen Leistungsdioden spürbar zu entla sten. Gleichzeitig nehmen jedoch die Schaltverluste der be teiligten Halbleiterschalter stark zu.Another way that is currently used to relieve performance di ode and ensure soft recovery behavior is stepped, the switching speeds to throttle the semiconductor switches involved and so the Ab to dampen commutation behavior. This would initiate the Commutation process by a controllable resistor Correspond to the position of an ideal switch. In this way it succeeds in verifying the occurrence of any overvoltage avoid and noticeably discharge the respective power diodes most. At the same time, however, the switching losses of the be divided semiconductor switches strongly.
Bei den internen Maßnahmen handelt es sich im wesentlichen um entsprechende Eingriffe in das Design von Leistungsdioden. Diese Eigriffe betreffen im wesentlichen die Optimierung des Dotierungsprofils oder der Lebensdauereinstellung.The internal measures are essentially corresponding interventions in the design of power diodes. These interventions essentially concern the optimization of the Doping profile or lifetime setting.
Das Abkommutierverhalten einer Leistungsdiode bei den be schriebenen externen Maßnahmen wir maßgeblich von anderen Bauelementen bestimmt. Das führt in der Regel immer zu erhöh ten Schaltverlusten. Außerdem ist unter diesen Umständen nur noch eine eingeschränkte Optimierung der Leistungsdiode mög lich. Aufgrund dessen konzentriert sich die vorliegende Er findung ausschließlich auf die Optimierung des Diodendesigns.The commutation behavior of a power diode in the be external measures we wrote significantly from others Components determined. This usually leads to an increase switching losses. Besides, under these circumstances only limited optimization of the power diode possible Lich. Because of this, the present Er focuses finding exclusively on the optimization of the diode design.
Üblicherweise wird versucht, ein sanftes Abkommutierverhalten durch Erweiterung der Innenzone und Bereitstellung eines zu sätzlichen Ladungsträgerreservoirs, das bereits im Durchlaß betrieb angelegt wird, zu erreichen. Dies führt jedoch bei den entsprechenden Dioden zu Innenzonenweiten, die gemessen an der zulässigen Sperrspannung überdimensioniert sind. Durch diese Überdimensionierung werden die Durchlaßspannungen be ziehungsweise die Schaltverluste erhöht.Usually a gentle commutation behavior is attempted by expanding the inner zone and providing one additional charge carrier reservoirs that are already in the culvert operation is to be achieved. However, this leads to the corresponding diodes to inner zone widths that are measured are oversized at the permissible reverse voltage. By this oversizing will be the forward voltages or the switching losses increased.
Ferner wird bei dieser Vorgehensweise nicht gewährleistet, daß das im Durchlaßbetrieb angelegte Ladungsträgerreservoir auch tatsächlich den Anforderungen des Abkommutiervorganges genügt. Ist das Ladungsträgerreservoir zu klein, so kommt es zum Abriß des Rückstromes und damit durch den Einfluß der Streuinduktivitäten zu erhöhten Überspannungen und durch die Induktivität verursachten, unerwünschten Oszillationen. Ist das Ladungsträgerreservoir dagegen zu groß, so kommt es zu entsprechend langsam abklingenden Rückströmen, den sogenann ten "Tail-Strömen", und damit zu erhöhten Schaltverlusten.Furthermore, this procedure does not guarantee that the charge carrier reservoir created in the pass mode actually the requirements of the commutation process enough. If the carrier reservoir is too small, it happens to interrupt the backflow and thus by the influence of Leakage inductances to increased overvoltages and through the Inductance caused undesirable oscillations. Is the carrier reservoir, on the other hand, is too large, so it happens correspondingly slowly decaying return currents, the so-called tail currents, and thus increased switching losses.
Eine Alternative dazu ist die Begrenzung induktiver Überspan nungen während des Abkommutiervorganges durch gezielte Gene ration von Ladungsträgern und damit durch kontrollierte Ent ladung der Streuinduktivität, sobald eine bestimmte Sperr spannung überschritten wird. Dieses Konzept wird "field controlled-injection" oder kurz FCI genannt. Als Mechanismus zur Erzeugung der erforderlichen Ladungsträger dient dabei die Stoßionisation, die ohnehin das Sperrvermögen einer Lei stungsdiode nach oben hin begrenzt.An alternative to this is to limit inductive overvoltage Targeted genes during the commutation process ration of load carriers and thus through controlled ent charge of the leakage inductance as soon as a certain blocking voltage is exceeded. This concept is called "field controlled-injection "or FCI for short. As a mechanism serves to generate the necessary charge carriers the shock ionization, which is the blocking capacity of a lei anyway Stungsdiode limited upwards.
Durch das FCI-Konzept werden je nach Bedarf Ladungsträger ge neriert, so daß es automatisch zu einem Soft-Recovery- Verhalten kommt. Voraussetzung ist allerdings eine stark lo kalisierte Ladungsträgergeneration, da es sonst zu TRAPATT- Oszillationen kommen kann.The FCI concept enables load carriers to be geized as required nerated so that it automatically turns into a soft recovery Behavior comes. However, a strong lo is required calibrated load carrier generation, otherwise it would be TRAPATT- Oscillations can come.
Der grundsätzliche Vorteil des FCI-Konzepts besteht darin, daß keine Überdimensionierung der Innenzone erforderlich ist. Damit lassen sich Durchlaßverluste und Schaltverluste gegen über den Leistungsdioden der eingangs genannten Art deutlich verringern.The basic advantage of the FCI concept is that that no oversizing of the inner zone is required. This allows forward losses and switching losses against clearly above the power diodes of the type mentioned reduce.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:The invention is based on the in the figures of the Exemplary embodiments illustrated in the drawing. It shows:
Fig. 1 einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper einer pin-Leistungsdiode mit Raumladungskopplung (in der Ausgestaltung einer Read-Diode) nach dem Stand der Technik; Fig. 1 shows a cross section through the semiconductor body of a pin-power diode with space charge coupling (in the embodiment, a read diode) according to the prior art;
Fig. 2 erstes Ausführungsbeispiel einer geometrisch gekop pelten FCI-Diode; Fig. 2 first embodiment of a geometrically coupled FCI diode;
Fig. 3 zweites Ausführungsbeispiel einer geometrisch ge koppelten FCI-Diode; Fig. 3 second embodiment of a geometrically coupled FCI diode;
Fig. 4 drittes Ausführungsbeispiel einer geometrisch ge koppelten FCI-Diode; Fig. 4 third embodiment of a geometrically coupled FCI diode;
Fig. 5 viertes Ausführungsbeispiel einer geometrisch ge koppelten FCI-Diode; Fig. 5 fourth embodiment of a geometrically coupled FCI diode;
Fig. 6 einen Querschnitt durch den Halbleiterkörper einer geometrisch gekoppelten FCI-Diode entsprechend Fig. 2 mit kathodenseitig integrierter Sperrdiode; Fig. 6 corresponding to a cross section through the semiconductor body of a geometrically coupled FCI diode 2 with the cathode side integrated blocking diode.
Fig. 7 ein Schaltbild einer FCI-Hybrid-Diode als eine be vorzugte Anwendung einer FCI-Diode mit geometri scher Kopplung. Fig. 7 is a circuit diagram of an FCI hybrid diode as a preferred application of an FCI diode with geometrical coupling.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt durch den Halbleiterkörper 1 einer erfindungsgemäßen geometrisch gekoppelten FCI-Diode. Gleiche Elemente sind entsprechend Fig. 1 mit gleichen Be zugszeichen versehen. Fig. 2 shows the cross section through the semiconductor body 1 an inventive geometrically coupled FCI diode. The same elements are provided with the same reference numerals according to FIG. 1.
Die Leistungsdiode entsprechend Fig. 2 enthält im wesentli chen die Elemente einer pin-Leistungsdiode. Der Halbleiter körper 1 besteht aus einer n--dotierten Innenzone 2. Katho denseitig schließt sich an die n--dotierte Innenzone die n+- dotierte Kathodenzone 3 an. Die Kathodenzone 3 ist über die Kathodenelektrode 7 mit dem Kathodenanschluß K verbunden. An odenseitig ist an die n--dotierte Innenzone 2 die p+-dotierte Anodenzone 6 angeschlossen. Die Anodenzone 6 ist über die An odenelektrode 8 mit dem Anodenanschluß A verbunden. The power diode shown in FIG. 2 contains wesentli chen the elements of a pin-power diode. The semiconductor body 1 consists of an n - -doped inner zone 2 . The n + doped inner zone - - Katho denseitig adjoins the n-doped cathode zone 3 at. The cathode zone 3 is connected to the cathode connection K via the cathode electrode 7 . The p + -doped anode zone 6 is connected on the odd side to the n - -doped inner zone 2 . The anode zone 6 is connected to the anode terminal A via the electrode electrode 8 .
Dazu ist im anodenseitigen Bereich 2' der Innenzo ne 2 ein zusätzliches Gebiet mit höherer Dotierungskonzentra tion als in der Innenzone 2 vorgesehen. Dieses zusätzliche Gebiet ist n+-dotiert und wird im folgenden als floatendes Gebiet 5 bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel ist das floa tende Gebiet 5 als vergrabene Schicht ausgebildet.For this purpose, in the anode-side region 2 'of the Innenzo ne 2, an additional area of higher Dotierungskonzentra tion as provided in the inner zone. 2 This additional region is n + -doped and is referred to below as floating region 5 . In the present example, the floating region 5 is formed as a buried layer.
Das floatende Gebiet 5 weist dabei die Charakteristik eines Kurzschlusses auf und ist in Bezug auf sein Potential floa tend. In das floatende Gebiet 5 kann dabei das Hochfeld nicht eindringen. Die Innenzone 2 ist über den p-n-Übergang 4 an die Anodenzone 6 angeschlossen. Die Grenzfläche des p-n- Überganges 4 zwischen Innenzone 2 und Anodenzone 6 ist eben, d. h. sie weist keine Krümmungen auf. Das floatende Gebiet 5 ist dabei nicht mit der Anodenzone 6 verbunden.The floating region 5 has the characteristic of a short circuit and is floating in terms of its potential. The high field cannot penetrate into the floating area 5 . The inner zone 2 is connected to the anode zone 6 via the pn junction 4 . The interface of the pn junction 4 between the inner zone 2 and the anode zone 6 is flat, ie it has no curvatures. The floating region 5 is not connected to the anode zone 6 .
Durch die Einbringung des vergrabenen, floatenden Gebietes 5 in die Innenzone 2 wird anodenseitig eine stark inhomogene Dotierungsverteilung erzeugt. Durch diese inhomogene Dotie rungsverteilung im anodenseitigen Gebiet der Innenzone 2 kommt es zu einer lokal stark unterschiedlichen Verteilung der Feldlinien des elektrischen Feldes. Insbesondere münden die Feldlinien des elektrischen Feldes bevorzugt in die Be reiche der Grenzfläche des n+/n--Überganges 4' zwischen floa tendem Gebiet 5 und Innenzone 2, die die stärkste Krümmung aufweisen. An diesem anodenseitigen n+/n--Übergang 4' des floatenden Gebietes 5 zur Innenzone 2 kommt es bevorzugt zum Durchbruch.By introducing the buried, floating region 5 into the inner zone 2 , a strongly inhomogeneous doping distribution is generated on the anode side. This inhomogeneous doping distribution in the anode-side region of the inner zone 2 results in a locally very different distribution of the field lines of the electric field. In particular, the field lines of the electric field preferably lead into the areas of the interface of the n + / n - junction 4 'between the floating region 5 and the inner zone 2 , which have the greatest curvature. At this anode-side n + / n - junction 4 'of the floating area 5 to the inner zone 2 , there is preferably a breakthrough.
Das floatende Gebiet 5 läßt sich beispielsweise durch Hochen ergieionenimplantation als vergrabene Schichte in der Innen zone 2 erzeugen. Alternativ ist es auch denkbar anisotrop ei nen Graben in die anodenseitige Oberfläche des Halbleiterkör pers 1 zu ätzen. Anschließend wird eine maskierte n+- Diffusion zur Erzeugung des floatenden Gebietes 5 durchge führt. The floating area 5 can be generated, for example, by high energy implantation as a buried layer in the inner zone 2 . Alternatively, it is also conceivable to etch anisotropically a trench into the anode-side surface of the semiconductor body 1 . A masked n + diffusion is then carried out to produce the floating region 5 .
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine geo metrisch gekoppelte FCI-Diode angegeben. Gleiche Elemente sind dabei entsprechend Fig. 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen.In Fig. 3, another embodiment for a geo metrically coupled FCI diode is given. The same elements are provided with the same reference numerals in accordance with FIG. 2.
Die FCI-Diode entsprechend Fig. 3 zeigt im wesentlichen die Elemente der FCI-Diode entsprechend Fig. 2. Hier ist aller dings die p+-dotierte Anodenzone 6 nicht als kontinuierli ches, homogenes Gebiet an der Vorderseite des Halbleiterkör pers 1 angeordnet. Vielmehr weist die Grenzfläche des p-n- Überganges 4 zwischen Anodenzone 6 und Innenzone 2 eine Krüm mung auf. Des weiteren ist das floatende Gebiet 5 nicht als vergrabene Schicht ausgebildet, sondern grenzt direkt an die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 an. Das n+-dotierte floa tende Gebiet 5 ist dabei von der Anodenzone 6 beabstandet.The FCI diode corresponding to FIG. 3 shows essentially the elements of the FCI diode according to Fig. 2. Here, all 6 is not arranged recently the p + doped anode zone as kontinuierli ches, homogeneous field at the front of Halbleiterkör pers. 1 Rather, the interface of the pn junction 4 between the anode zone 6 and the inner zone 2 has a curvature. Furthermore, the floating region 5 is not designed as a buried layer, but borders directly on the surface of the semiconductor body 1 . The n + -doped floating region 5 is spaced from the anode zone 6 .
Wie im Beispiel von Fig. 2 verursachen die floatenden Gebie te 5 auch hier lokal eine unterschiedlichen Verteilung der Dotierungskonzentrationen. Dadurch kommt es ebenfalls zu ei ner inhomogenen Verteilung der Feldlinien des elektrischen Feldes. Das floatende Gebiet 5 wirkt in Fig. 3 ebenfalls als Kurzschluß, wodurch der Durchbruch bevorzugt in dem unmittel baren Bereich zwischen Anodenzone 6 und floatendem Gebiet 5 stattfindet.As in the example in FIG. 2, the floating regions 5 also locally cause a different distribution of the doping concentrations. This also leads to an inhomogeneous distribution of the field lines of the electric field. The floating area 5 also acts as a short circuit in FIG. 3, whereby the breakdown preferably takes place in the immediate area between the anode zone 6 and the floating area 5 .
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen geometrisch gekoppelten FCI-Diode. Gleiche Elemente sind entsprechend der Fig. 2 und 3 mit gleichen Bezugszei chen versehen. Fig. 4 shows a third embodiment of the geometrically coupled FCI diode according to the Invention. The same elements are provided with the same reference characters according to FIGS. 2 and 3.
Fig. 4 zeigt eine Weiterentwicklung der geometrisch gekop pelten FCI-Diode entsprechend Fig. 3. Hierbei ist das n+- dotierte floatende Gebiet 5 nicht mehr von der Anodenzone 6 beabstandet. Vielmehr grenzt das floatende Gebiet 5 teilweise an die Anodenzone 6 an. Es kommt daher bevorzugt am p-n- Übergang 4 zwischen floatendem Gebiet 5 und Anodenzone 6 zum Durchbruch. Des weiteren weist die FCI-Diode entsprechend Fig. 4 in der Anodenzone 6 einen Graben 9 auf. An der Oberflä che des Grabens ist die Anodenelektrode 8 angeordnet. Fig. 4 shows a further development of the geometrically coupled FCI diode corresponding to Fig. 3. Here, the n + - doped floating region 5 is no longer spaced from the anode zone 6 . Rather, the floating region 5 partially adjoins the anode zone 6 . A breakdown therefore preferably occurs at the pn junction 4 between the floating region 5 and the anode zone 6 . Furthermore, the FCI diode according to FIG. 4 has a trench 9 in the anode zone 6 . The anode electrode 8 is arranged on the surface of the trench.
Der Graben 9 in Fig. 4 ist insbesondere bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Strukturen von Vorteil. Dabei wird nach dem anisotropen Ätzen des Grabens 9 die Anodenzone 6 durch maskierte Diffusion erzeugt. Die Oberfläche des Grabens wird anschließend großflächig mit einer üblichen Metallisierung bedeckt. Die Metallisierung bildet dann die Anodenelektrode 8.The trench 9 in FIG. 4 is particularly advantageous in the production of the structures according to the invention. After anisotropic etching of the trench 9, the anode zone 6 is produced by masked diffusion. The surface of the trench is then covered over a large area with a conventional metallization. The metallization then forms the anode electrode 8 .
In den Fig. 2 bis 4 sind die floatenden Gebiete 5 sehr viel höher dotiert als die Innenzone 2. Typischerweise weisen die floatende Gebiet 5 eine Dotierungskonzentration von maxi mal 1015 cm-3 auf. Die Innenzone 2 hingegen weist mindestens eine Dotierungskonzentration von 1016 cm-3 auf.In FIGS. 2 to 4, the floating regions 5 are endowed much higher than the inner zone 2. Typically, the floating regions 5 have a doping concentration of max. 10 15 cm -3 . The inner zone 2, however, has at least a doping concentration of 10 16 cm -3 .
Da die floatenden Gebiete 5 eine sehr hohe Dotierungskonzen tration aufweisen, wirken sie bezüglich ihrer Potentiale als Kurzschluß. Aufgrund dessen ist es auch denkbar, die floaten den Gebiete 5 statt mit sehr hoch dotiertem Silizium auch mit einem anderen gut leitendem Material, beispielsweise Polysi lizium, Metallsilizid oder Metall, zu verwirklichen.Since the floating regions 5 have a very high doping concentration, they act with regard to their potentials as a short circuit. Because of this, it is also conceivable to realize the float regions 5 instead of very highly doped silicon with another highly conductive material, for example polysilicon, metal silicide or metal.
In den Fig. 2 bis 4 ist beispielhaft nur jeweils ein floa tendes Gebiet 5 dargestellt. Selbstverständlich können auch mehrere floatende Gebiete 5 in dem Leistungshalbleiterbauele ment vorgesehen sein.In Figs. 2 to 4, a floa tendes region 5 is illustrated by way of example only, respectively. Of course, several floating areas 5 can also be provided in the power semiconductor component.
Fig. 5 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen geometrisch gekoppelten FCI-Diode. Gleiche Elemente sind entsprechend der vorhergehenden Figuren mit gleichen Be zugszeichen versehen. Fig. 5 shows a fourth embodiment of the geometrically coupled FCI diode according to the Invention. The same elements are provided with the same reference numerals according to the previous figures.
Fig. 5 zeigt eine geometrisch gekoppelten FCI-Diode, die im Gegensatz zu den Fig. 2 bis 4 über kein floatendes Gebiet 5 verfügt. Die Funktion des floatenden Gebietes 5 wird hier durch die Ausgestaltung der Anodenzone 6 ersetzt. Die Anoden zone 6 weist hier zapfenartig in den Halbleiterkörper 1 hin einragende Gebiete auf. Durch diese zapfenartig in den Halb leiterkörper 1 hineinragenden Gebiete wird eine starke Krüm mung der Grenzfläche des p-n-Überganges 4 zwischen Anodenzone 6 und Innenzone 2 erzeugt. Diese Krümmung bewirkt ähnlich wie in den Beispielen aus den Fig. 2 bis 4 eine lokale Tren nung von Hochfeldzone und Niederfeldzone. Ein Durchbruch des elektrischen Feldes findet hier bevorzugt in den Bereichen der stärksten Krümmung des p-n-Überganges statt. Typischer weise ist das an der Spitze der zapfenartigen Gebiete der An odenzone 6. FIG. 5 shows a geometrically coupled FCI diode which, in contrast to FIGS. 2 to 4, has no floating region 5 . The function of the floating region 5 is replaced here by the configuration of the anode zone 6 . The anode zone 6 here has cones protruding into the semiconductor body 1 . Through these cone-like areas protruding into the semiconductor body 1 , a strong curvature of the interface of the pn junction 4 between the anode zone 6 and the inner zone 2 is generated. This curvature causes a local separation of the high field zone and the low field zone, similar to the examples from FIGS. 2 to 4. A breakdown of the electrical field takes place here preferably in the areas of the greatest curvature of the pn junction. This is typically at the top of the cone-like areas of the anode zone 6 .
Ähnlich wie in Fig. 4 sind in Fig. 5 Gräben 9 vorgesehen, die herstellungstechnisch von besonderem Vorteil sind. Durch den Graben 9 lassen sich insbesondere die zapfenartigen Be reiche der Anodenzone 6 auf einfache Weise herstellen. Dabei wird ähnlich wie im Beispiel von Fig. 4 zunächst der Graben 9 anisotrop geätzt. Anschließend können durch eine maskierte Diffusion die zapfenartigen Bereiche der Anodenzone bei spielsweise durch eine maskierte Diffusion erzeugt werden.Similar to FIG. 4, trenches 9 are provided in FIG. 5, which are particularly advantageous in terms of production technology. Through the trench 9 in particular the cone-like areas of the anode zone 6 can be produced in a simple manner. The trench 9 is first anisotropically etched, similar to the example in FIG. 4. Subsequently, the cone-like regions of the anode zone can be produced by masked diffusion, for example by masked diffusion.
Fig. 6 zeigt eine entsprechend Fig. 2 weitergebildete geo metrisch gekoppelte FCI-Diode. Gleiche Elemente sind entspre chend der vorhergehenden Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Fig. 6 shows a geo metrically coupled FCI diode developed according to FIG. 2. The same elements are accordingly provided with the same reference numerals in the previous figures.
Die FCI-Diode entsprechend Fig. 2 wurde in Fig. 6 derart weitergebildet, daß kathodenseitig eine weitere p+-dotierte Zone 10 zwischen Kathodenanschluß K und Kathodenzone 3 vorge sehen ist. Durch das Hinzufügen einer zusätzlichen Zone 10 in den Halbleiterkörper 1 aus Fig. 2 wird ein zusätzlicher p-n- Übergang 12 erzeugt. Auf diese Weise läßt sich eine mono lithisch integriertes Halbleiterbauelement bestehend aus zwei antiparallelen und in Reihe geschalteten Dioden herstellen. The FCI diode corresponding to FIG. 2 was further developed in FIG. 6 such that a further p + -doped zone 10 between cathode connection K and cathode zone 3 is seen on the cathode side. By adding an additional zone 10 in the semiconductor body 1 from FIG. 2, an additional pn junction 12 is generated. In this way, a monolithically integrated semiconductor device consisting of two antiparallel and series-connected diodes can be produced.
Grundsätzlich ist bei Erzeugung eines zusätzlichen p-n- Überganges 12 durch Einfügung einer zusätzlichen Zone 10 in die FCI-Diode entsprechend Fig. 2 darauf zu achten, daß die Diode des betreffenden neu erzeugten p-n-Überganges 12 anti parallel und in Reihe zu der FCI-Diode geschaltet ist. Dar überhinaus ist zu beachten, daß die Durchbruchspannung des zusätzlichen p-n-Überganges 12 ausreichend hoch dimensioniert ist, um einen Stromfluß in Durchlaßrichtung zu verhindern. Aus diesem Grund ist im vorliegenden Beispiel die Kathodenzo ne 3 niedriger dotiert als die weitere Zone 10. Schließlich ist darauf zu achten, daß die an die weitere Zone 10 angren zende Innenzone 2 weit genug dimensioniert ist, so daß es nicht zum "punch-through" der weiteren Zone 10 kommt. In die sem Fall würde die sperrende Wirkung des zusätzlichen p-n- Überganges 12 außer Kraft gesetzt werden.In principle, when generating an additional pn junction 12 by inserting an additional zone 10 into the FCI diode according to FIG. 2, care must be taken that the diode of the newly created pn junction 12 in question is anti-parallel and in series with the FCI diode is switched. In addition, it should be noted that the breakdown voltage of the additional pn junction 12 is dimensioned sufficiently high to prevent current flow in the forward direction. For this reason, in the present example, the cathode line 3 is doped less than the further zone 10 . Finally, care must be taken that the inner zone 2 adjoining the further zone 10 is dimensioned far enough so that there is no "punch-through" of the further zone 10 . In this case, the blocking effect of the additional pn junction 12 would be overridden.
Es ist selbstverständlich auch denkbar, die zusätzliche Zone 10 anodenseitig zwischen der Anodenzone 6 und der Anodenelek trode 8 anzuordnen. Die anodenseitige zusätzliche Zone müßte in diesem Fall n-dotiert sein und die Anodenzone 6 müßte ausreichend weit dimensioniert sein.It is of course also conceivable to arrange the additional zone 10 on the anode side between the anode zone 6 and the anode electrode 8 . In this case, the additional zone on the anode side would have to be n-doped and the anode zone 6 would have to be sufficiently wide.
Ein zusätzlicher p-n-Übergang zur Realisierung von zwei anti parallel geschalteten Dioden läßt sich selbstverständlich auch durch einen anodenseitigen oder kathodenseitigen Schott ky-Kontakt anstelle einer weiteren Zone 10 erzeugen.An additional pn junction for realizing two anti-parallel diodes can of course also be generated by an anode-side or cathode-side Schott ky contact instead of another zone 10 .
Fig. 7 zeigt ein Schaltbild einer FCI-Hybrid-Diode als eine vorteilhafte Anwendung der FCI-Diode entsprechend der Fig. 2 bis 5. Zwischen einem Anodenanschluß A und einem Kathoden anschluß K befindet sich die Parallelschaltung aus der Diode D2 und der Diode DFCI. Die Diode D2 ist dabei beispielsweise eine auf gutes Durchlaßverhalten optimierte Leistungsdiode. Die FCI-Diode DFCI hat die Funktion eines Spannungsbegrenzers und ist nur im Sperrbetrieb wirksam. Im Durchlaßbetrieb ist die Diode DFCI durch die in Reihe und antiparallel dazu ge schaltete Diode D1 gesperrt. Somit ist im Durchlaßbetrieb die Diode D2 und im Sperrbetrieb die Diode DFCI relevant. Fig. 7 shows a circuit diagram of an FCI hybrid diode as an advantageous application of the FCI diode according to FIGS. 2 to 5. Between an anode connection A and a cathode connection K there is the parallel connection of the diode D 2 and the diode D. FCI . The diode D 2 is, for example, a power diode optimized for good forward behavior. The FCI diode D FCI has the function of a voltage limiter and is only effective in blocking mode. In forward operation, the diode D FCI is blocked by the diode D 1 connected in series and antiparallel to it. Thus, the diode D 2 is relevant in the forward mode and the diode D FCI in the blocking mode.
Die Dioden D1, D2 und DFCI lassen sich als monolitisch inte griertes Halbleiterbauelement realisieren. Es ist allerdings auch eine diskrete Realisierung der Bauelemente denkbar. Die Vorteile einer monolitisch integrierten Anordnung liegen in einem induktivitätsarmen Aufbau, der insbesondere die Reduk tion der Schaltverluste erlaubt.The diodes D 1 , D 2 and D FCI can be implemented as a monolithically integrated semiconductor component. However, a discrete implementation of the components is also conceivable. The advantages of a monolithically integrated arrangement lie in a low-inductance design, which in particular allows the switching losses to be reduced.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung von FCI-Dioden als Freilaufdioden oder Spannungsbegrenzer in Parallelschaltung zu abschaltbaren Leistungshalbleiterbauelementen, wie bei spielsweise Bipolartransistoren, MOSFETS, IGBTs, GTOs, Thyri storen, MCTs, etc. Dabei ist sowohl eine monolithische Inte gration als auch ein hybrider oder diskreter Aufbau denkbar.The use of FCI diodes is particularly advantageous as Free-wheeling diodes or voltage limiters connected in parallel to power semiconductor components that can be switched off, as with for example bipolar transistors, MOSFETS, IGBTs, GTOs, Thyri storen, MCTs, etc. This is both a monolithic inte Gration as well as a hybrid or discrete structure possible.
11
Halbleiterkörper
Semiconductor body
22nd
Innenzone
Indoor zone
22nd
'anodenseitige Bereiche der Innenzone
'' Anode-side areas of the inner zone
33rd
Kathodenzone
Cathode zone
44th
Grenzfläche zwischen der Innenzone und der An
odenzone
Interface between the inner zone and the anode zone
44th
'(weitere) Grenzfläche zwischen der Innenzone und
dem floatendem Gebiet
'(Further) interface between the inner zone and the floating area
55
floatendes Gebiet
floating area
66
Anodenzone
Anode zone
77
Kathodenmetallisierung/-elektrode
Cathode metallization / electrode
88th
Anodenmetallisierung/-elektrode
Anode metallization / electrode
99
Graben
dig
1010th
weitere Zone
further zone
1111
Kopplungszone
Coupling zone
1212th
weiterer p-n-Übergang
AAnodenanschluß
KKathodenanschluß
D1 further pn transition
A anode connection
K cathode connection
D 1
erste Diode; Sperrdiode
D2 first diode; Blocking diode
D 2
zweite Diode; in Durchlaßrichtung optimierte Lei
stungsdiode
DFCI second diode; in the forward direction Lei performance diode
D FCI
FCI-Diode
FCI diode
Claims (13)
- 1. einer Innenzone (2) vom ersten Leitungstyp,
- 2. einer an die Innenzone (2) anschließenden Kathodenzone (3) vom ersten Leitungstyp und höherer Dotierungskonzentration als in der Innenzone (2),
- 3. einer an die Innenzone (2) anschließenden Anodenzone (6) vom zweiten Leitungstyp und höherer Dotierungskonzentration als in der Innenzone (2)
- 1. eine Grenzfläche (4) zwischen der Innenzone (2) und der An odenzone (6) vorgesehen ist, die mit Ausnahme der Randbe reiche der Anodenzone (6), an denen die Grenzfläche (4) an die Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) tritt, zumindest teilweise gekrümmt ist und/oder
- 2. in der Innenzone (2) zumindest ein floatendes Gebiet (5) vom ersten Leitungstyp vorgesehen ist.
- 1. an inner zone ( 2 ) of the first conduction type,
- 2 a, to the inner zone (2) adjoining the cathode zone (3) of the first conductivity type and higher doping concentration than in the inner zone (2)
- 3. an anode zone ( 6 ) of the second conductivity type and a higher doping concentration than in the inner zone ( 2 ) adjoining the inner zone ( 2 )
- 1. an interface ( 4 ) between the inner zone ( 2 ) and the anode zone ( 6 ) is provided, with the exception of the edge regions of the anode zone ( 6 ), where the interface ( 4 ) to the surface of the semiconductor body ( 1 ) occurs, is at least partially curved and / or
- 2. at least one floating region ( 5 ) of the first conduction type is provided in the inner zone ( 2 ).
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